小学三年级科学《风向的探究与测量：设计我们的小小风向标》STEM项目式学习教案

小学三年级科学《风向的探究与测量：设计我们的小小风向标》STEM项目式学习教案

  一、设计依据与理念阐述

  本教学设计以《义务教育科学课程标准（2022年版）》为根本遵循，立足于小学三年级学生的认知发展特点和已有经验，对大象版科学教材上册“测量风向”相关内容进行了深度整合与结构化重构。我们秉持“素养导向、综合学习、实践育人”的核心理念，打破传统单一知识点传授的模式，将本课设计为一个完整的微型STEM项目。此设计旨在引导学生像科学家一样思考问题，像工程师一样解决问题。在真实的问题情境——“如何为我们的校园气象站制作一个可靠的风向标？”驱动下，学生将经历“定义问题—设计方案—制作模型—测试优化—交流应用”的完整工程实践流程。本设计深度融合科学（S）、技术（T）、工程（E）、数学（M）四大领域：科学探究风向的概念、测量原理及风与天气的关系；技术涉及工具（如风向标）的使用与改进；工程体现在设计、制作、测试、迭代风向标模型的过程中；数学则贯穿于方位识别、角度测量、数据记录与分析。通过跨学科的项目实践，学生不仅掌握测量风向的知识与技能，更关键的是发展科学探究能力、工程思维、协作交流能力和解决真实问题的能力，实现核心素养的融合培育。

  二、教材与学情深度分析

  （一）教材内容解构与拓展

  原教材“测量风向”一课，通常聚焦于认识风向的概念、学习利用简易材料（如布条、烟）判断风向，并初步接触风向标。本设计在此基础上，进行了纵向深化与横向拓展。纵向层面，我们将学习目标从“知道”和“模仿”提升至“理解”和“创造”，引导学生深入理解风向标的工作原理（如平衡性、低摩擦转动、方位参照），并自主设计制作。横向层面，我们有机融合了“位置与方向”（数学）、“材料特性”（技术与工程）、“天气现象”（地球与宇宙科学）等相关内容，构建了一个以“风”为主题的微课程单元。教材作为知识来源和活动启发，而项目任务则是整合与应用知识的载体，使学习更具整体性和挑战性。

  （二）学习者精准画像

  小学三年级学生正处于具体运算思维阶段初期，好奇心旺盛，乐于动手操作，对自然现象有浓厚的探究兴趣。他们已具备一定的观察、描述和简单记录能力，并在数学课上学习了东、南、西、北等基本方位。然而，他们的抽象思维能力仍在发展中，对于“风向”这种需要将抽象方向与具体自然现象联系的概念可能存在理解困难。同时，他们的工程设计思维几乎为零，缺乏系统规划、制作、测试与改进的完整经验。在协作方面，小组合作多以简单分工为主，深度研讨和观点整合能力有待引导提升。因此，本项目设计提供了大量直观体验、动手制作和迭代改进的机会，通过搭建脚手架（如设计模板、评价量规）和支持性提问，引导学生在“做中学”、“创中学”，逐步建构概念、发展思维。

  三、教学目标与素养指向

  基于以上分析，制定如下多维融合的教学目标：

  （一）科学观念

  1.理解风向是指风吹来的方向，例如北风是从北方吹向南方的风。

  2.知道风向可以用八个基本方位（东、南、西、北、东北、东南、西南、西北）来描述。

  3.认识风向标是测量风向的常用工具，理解其基本结构（箭头、箭尾、支撑杆、转动轴、方位盘）和“箭头指向风的来向”的工作原理。

  4.初步建立风是天气变化的重要因素之一，风向变化与天气变化存在联系的概念。

  （二）科学思维

  1.模型建构能力：能够根据风向标的功能需求，绘制简易设计草图，将抽象原理转化为具体模型。

  2.推理论证能力：在测试风向标时，能根据观测现象（如布条飘向）推理真实风向，并以此验证和评估自制风向标的准确性。

  3.批判性思维与创新思维：在比较不同小组设计方案和测试结果时，能分析优缺点；面对制作或测试中出现的问题（如转动不灵、指向不准），能提出合理的改进假设并付诸实践验证。

  （三）探究实践

  1.能利用身边的简易材料（如吸管、卡纸、大头针、橡皮泥等），小组合作设计和制作一个能够实际运转的风向标模型。

  2.掌握科学测量风向的基本方法：能正确使用自制或标准风向标，结合方位盘，准确读取和记录风向数据。

  3.经历完整的“设计-制作-测试-评估-改进”工程循环，学会有目的、有计划地进行技术制作与优化。

  4.能用图示、文字或口头语言清晰地展示自己的设计思路、制作过程和测试结论。

  （四）态度责任

  1.激发对天气现象进行长期科学观测的兴趣和耐心，培养严谨求实的科学态度。

  2.在小组合作中，学会倾听、表达、分工与协作，共同应对挑战。

  3.树立利用科学知识和技术产品服务生活的意识，体验工程师的社会角色。

  4.增强使用工具和材料的安全意识，养成整理器材、爱护环境的良好习惯。

  四、教学重难点研判

  （一）教学重点

  1.理解风向的定义及测量原理：这是整个项目学习的认知基础。必须通过多种体验活动，确保学生牢固建立“风向是风的来向”这一核心观念。

  2.经历制作和调试风向标的完整工程过程：这是培养探究实践与工程思维的关键路径。重点在于引导学生亲身参与从构思到成品的每一个环节，而不仅仅是完成一个手工作品。

  3.掌握利用方位描述和记录风向的技能：这是将科学概念应用于实践的具体表现，是项目成果可测量、可交流的保障。

  （二）教学难点

  1.风向标平衡性与灵活性的设计与实现：这对三年级学生的动手能力和空间想象能力构成挑战。难点在于如何引导他们发现“箭头与箭尾的平衡”、“转动轴摩擦力的减小”等关键工程问题，并找到创造性的解决方案。

  2.从测试现象到科学结论的推理过程：学生可能混淆“布条飘去的方向”与“风向”，或者在使用自制风向标时，难以将观测到的指针指向转化为准确的风向方位描述。需要设计层层递进的对比观察和推理活动来突破。

  五、教学准备（资源与技术整合）

  （一）教师准备

  1.多媒体资源：包含不同风向标实物图片、结构示意图、工作原理动画的课件；一段展示专业气象站风向标工作及风向与天气关联的微视频。

  2.工具与材料：多个不同类型的商用或自制风向标模型（用于观察分析）；电风扇（用于制造可控风源）；指南针；大型方位盘（地面或黑板用）。

  3.记录与评价工具：项目任务书、小组设计草图模板、风向观测记录表、小组合作过程性评价表、风向标作品评价量规（涵盖科学性、美观性、稳定性、创新性等维度）。

  4.安全与后勤：备用急救包；材料分类整理箱；清洁工具。

  （二）学生分组与材料准备（每组4-5人）

  1.设计规划区：设计图纸、铅笔、橡皮。

  2.制作加工区：多种可选材料以鼓励个性化设计，如：不同粗细的吸管、轻质卡纸、泡沫板、竹签、圆形珠（作轴承用）、大头针、图钉、橡皮泥、胶带、剪刀、尺子、水彩笔等。

  3.测试记录区：小组用的简易方位盘（可绘制在卡纸上）、风向观测记录表、铅笔。

  六、教学过程实施详案（三课时连排，共120分钟）

  （一）第一课时：情境导入与问题定义——聚焦“风向”奥秘（40分钟）

  核心任务：在真实情境中引发认知冲突，明确项目挑战，深入理解风向概念及测量需求。

  1.创设情境，激趣引问（约8分钟）

    教师活动：播放一段精心剪辑的视频，画面依次呈现：飘扬的国旗、转动的风车、摇曳的树林，旁白提问：“风，看不见摸不着，我们如何知道它从哪里来？”接着展示学校计划设立“红领巾气象站”的通知，但风向标采购预算有限，面向全校同学征集“小小风向标”设计方案。

    学生活动：观看视频，被实际问题所吸引，情绪高涨。

    设计意图：从美的感受切入科学问题，利用学校真实需求创设项目驱动情境，赋予学习活动真实的目的和社会意义，激发学生的参与感和主人翁意识。

  2.初探风向，建立概念（约15分钟）

    活动一：“捕捉”教室里的风。

    教师活动：开启电风扇（固定方向），分发每人一条轻薄丝带或纸条。提问：“你手中的丝带向哪个方向飘？这告诉我们风从哪里来？”

    学生活动：手持丝带在不同位置感受，描述丝带飘动的方向。初步尝试用“从电扇那边吹过来”等语言描述。

    教师引导：“在科学上，我们说‘风向’是指风吹‘来’的方向。丝带飘向的反方向，就是风来的方向。”并示范表述：“现在吹的是‘东风’（若风扇在东侧）。”

    活动二：户外自然风探测。

    教师活动：带领学生到校园开阔地带。分发粉笔。指令：“小组合作，找到至少三种方法来判断现在风吹来的方向，并把你们的判断方法或结果用图画或符号记录在地面上。”

    学生活动：小组积极行动，可能观察旗子、树叶、头发、扬起的尘土，或用手、脸感受，用粉笔画出箭头等标识。

    小组分享：各小组展示并解释自己的判断方法和结论。可能会出现不一致的判断结果。

    设计意图：通过从人工可控环境到自然复杂环境的两次探究，让学生亲身体验“风向”。制造判断结果的差异，引发对“需要更精确、可靠工具”的认知需求，为引入风向标做铺垫。

  3.剖析工具，定义项目（约12分钟）

    教师活动：出示几个不同的风向标实物或高清图片（包括简易的、标准的、甚至是古代的）。提问：“这些工具叫什么？它们是如何工作的？为什么形状各异却都能指示风向？”引导学生观察并讨论关键结构。

    学生活动：观察、触摸（若安全），小组讨论并汇报发现，可能提到“箭头会转”、“指着风来的那边”、“有个杆子支撑”等。

    教师讲解与演示：结合动画，明晰风向标的核心结构（箭头、箭尾、支撑杆、转动轴）和工作原理：箭尾（或尾翼）受风面积大，箭头受风面积小，风作用下产生力矩差使箭头转向风的来向。强调“转动灵活”和“保持平衡”是关键。

    发布项目挑战：“现在，我们的任务很明确了：各小组需要运用对这些科学原理的理解，利用提供的材料，设计并制作一个能准确测量风向的‘小小风向标’，并准备接受测试评比！”

    设计意图：将学生对工具的感性观察上升到理性分析，明确科学原理。正式发布项目挑战书，使学习目标具体化、任务化。

  4.启动设计，初步规划（约5分钟）

    教师活动：分发“项目任务书”和“设计草图模板”。任务书明确最终成果要求、测试标准和时间节点。模板包含结构标注区、材料清单、设计思路简述等。

    学生活动：小组开始进行头脑风暴，讨论初步设想，并在草图模板上勾勒大致造型，列出可能需要的材料。

    设计意图：将高涨的热情迅速引导至有计划的行动中。设计模板作为思维脚手架，帮助学生将模糊的想法初步可视化、条理化，为下节课的深入设计做准备。

  （二）第二课时：设计与制作——化身“小小工程师”（40分钟）

  核心任务：将设计构想转化为具体方案，并合作完成风向标模型的制作。

  1.深化设计，优化方案（约15分钟）

    教师活动：巡回指导，运用提示性提问推动各小组深入思考：“你们的箭头和箭尾打算用什么材料？如何保证它们重量平衡？”“转动轴部分怎么设计才能让风向标灵活转动，又不会轻易脱落？”“你们的方位盘怎么和风向标结合？”展示一些往届学生作品或创意点子图片，启发思路但不限制创意。

    学生活动：各小组基于草图展开深入讨论，修订设计。需要考虑材料的选择（轻质、坚固）、结构的可行性、平衡的实现方式（如使用橡皮泥配重）、转轴的减少摩擦方案（如使用珠子、光滑的接触面）等。完成最终的设计草图，并列出详细的材料清单。

    设计意图：这是工程思维的核心环节。引导学生在动手前充分进行“脑力风暴”和方案论证，培养其规划意识和系统思维。教师的提问和资源提供起到“支架”作用，帮助他们突破思维瓶颈。

  2.领取材料，合作制作（约20分钟）

    教师活动：宣布“制作工坊”开放，各小组根据清单有序领取材料。强调安全使用剪刀、大头针等工具。继续巡回指导，重点关注学生是否按图施工，遇到技术难题时（如固定不牢、转动不灵）引导他们回看设计或小组研讨解决，而非直接给出答案。提醒记录制作过程中的任何调整与发现。

    学生活动：小组内进行合理分工（如裁剪、组装、调试、记录），开始动手制作。在真实操作中，他们可能会发现设计图纸与实际的差距，需要即时做出调整。这是一个充满试错、协商和问题解决的过程。

    设计意图：将设计蓝图变为实物。此过程不仅锻炼动手能力，更是对团队协作、问题解决和坚韧品格的综合考验。允许并鼓励“试错”，因为这是真实工程过程的必然组成部分。

  3.初步调试与整理（约5分钟）

    教师活动：提前几分钟提醒整理时间。组织各组在座位上用嘴吹气或扇子初步测试模型的转动情况，观察是否存在明显卡顿、严重不平衡等问题。

    学生活动：进行初步功能测试，标记出需要下节课前改进的问题。清理工作区，将工具和剩余材料归位。

    设计意图：培养及时测试、反思和整理的良好习惯。初步测试能让学生在下课前对作品状态有基本认知，为最后的优化调试留出思考空间。

  （三）第三课时：测试、优化与应用——风向标“上岗”评测（40分钟）

  核心任务：在模拟与真实环境中测试风向标性能，基于数据评估并优化设计，理解工具的应用价值。

  1.标准测试与数据采集（约15分钟）

    教师活动：在教室或走廊设立“标准测试区”，使用电风扇作为稳定风源，并放置指南针和大型方位盘确定基准方向。宣布测试流程：每组派代表将自己制作的风向标安装在测试架上（确保高度一致），在其他方向用丝带作为参照。开启风扇（固定方向），小组全体成员合作：一人稳定模型、一人读取并报告箭头指向、一人在记录表上记下风向标指示的风向、另一人记录丝带飘动指示的“实际风向”。

    学生活动：各小组有序进行测试，严格按流程操作，认真填写“风向标测试记录表”。表内包含：测试序号、风向标指示风向（如东北）、参照物指示风向、两者是否一致、可能的原因分析（初判）等栏目。

    设计意图：创设公平、可控的测试环境，引导学生像科学家一样收集客观数据。通过对比“工具读数”与“参照物判断”，让学生自己发现作品的准确性与问题所在，数据为后续优化和评价提供依据。

  2.分析、优化与迭代（约10分钟）

    教师活动：引导各小组分析自己的测试数据。“你们的箭头是否准确指向风源方向？如果存在偏差，可能是什么原因？”组织小组间互相观察、交流经验。

    学生活动：根据测试结果，小组讨论诊断问题。常见问题可能包括：转动不灵活（摩擦力大）、箭头箭尾不平衡导致指向不稳定、方位盘与指针未校准、材料过重或受风面积不合理等。针对问题，利用剩余材料或调整结构进行快速优化改进（如加点润滑油、调整配重、重新校准方向）。

    设计意图：这是工程设计中至关重要的“迭代优化”环节。让学生体验到产品不是一蹴而就的，需要基于测试反馈不断改进。培养其基于证据进行分析、诊断和解决问题的闭环思维能力。

  3.实地应用与成果展示（约10分钟）

    教师活动：带领所有小组到校园预先选定的气象观测点。每组将自己的风向标安装好（可用黏土或底座固定），使用指南针校准方位盘。进行一段时间的实地观测，每隔5分钟记录一次风向，观察风向是否有变化。

    学生活动：在真实自然环境中应用自己的作品，进行持续观测和记录。感受自然风的变幻不定，体会长期观测的价值。

    成果展示会：回到教室，举办小型“成果发布会”。每组用2-3分钟时间，结合设计草图、最终作品和观测记录，向全班介绍：我们的设计思路、制作中遇到的最大挑战及解决办法、测试结果如何、以及实地观测的发现。

    设计意图：将学习成果置于真实、复杂的应用场景中检验，升华项目意义。成果发布会锻炼学生的表达、反思和概括能力，同时也是一个相互学习、共享智慧的集体评议过程。

  4.总结延伸与素养升华（约5分钟）

    教师活动：引导学生回顾整个项目历程——从认识风向到制作工具，再到测量应用。总结风向标的核心科学原理与工程设计要点。提问：“除了风向，关于天气我们还关心什么？（风速、降水量等）”“我们制作的风向标还有哪些可以改进的地方，以适应更长期的户外使用？”鼓励学生持续观测，将风向数据与天气预报对比，探索风向与天气变化的关系。

    学生活动：反思整个项目学习的收获与体会。思考拓展问题，可能萌生改进作品或探究新问题的兴趣。

    设计意图：进行结构化总结，帮助学生将项目经验升华为概念性理解和可迁移的工程思维方法。提出拓展性问题，将课堂学习延伸至课外，开启新的探究循环，保持科学热情的长效性。

  七、教学评价设计

  本项目采用“形成性评价为主，终结性评价为辅”的多元综合评价体系，贯穿学习全程。

  （一）过程性评价（嵌入教学各环节）

  1.观察记录：教师使用“小组合作过程性评价表”，记录学生在讨论、设计、制作、测试、交流等环节中的参与度、协作表现、问题解决策略和科学态度。

  2.作品与记录分析：对学生的设计草图、测试记录表、实地观测记录进行评价，关注其设计的合理性、数据的真实性、记录的规范性以及反思的深度。

  3.对话与提问：通过课堂巡视中的师生对话、小组讨论中的生生互评，即时了解学生的思维状态并给予反馈。

  （二）终结性评价（项目成果评估）

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